Современные космологические модели Вселенной 2

Рефераты по биологии » Современные космологические модели Вселенной 2

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ


Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования


«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИИ И ДИЗАЙНА»


Кафедра Физики


КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2


по дисциплине «Концепция современного естествознания»


Тему: «Современные космологические модели Вселенной»



Выполнил: студентка гр. 2-СЗ-10с

Колтуновская Екатерина

Специальность: № 032001.65

«Документоведение и документационное

обеспечение управления»

Студенческий билет № 0935134



Санкт-Петербург

2011

Оглавление:

Введение……………………………………………………………………. 3

Современная космология………………………………………………….. 4

Стандартная модель Вселенной…………………………………………... 6

Модель Большого взрыва и расширяющейся Вселенной……………….. 8

Инфляционная концепция………………………………………………... 10

Заключение………………………………………………………………... 12

Список использованной литературы…………………………………….. 13

Введение

Современная космология – это сложная комплексная и быстроразвивающаяся система естественно – научных и философских знаний о Вселенной в целом основанная как на наблюдательных данных так и на теоретических выводах относящихся к охваченной астрономическими наблюдениями части вселенной.

Связь между космологией и физикой заключается в том что Вселенная в целом подчиняется тем же естественным законам которые управляют поведением ее отдельных составных частей. При этом определяющую роль в космологических процессах играет гравитация.

Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами.

Современная космология

Классическая ньютоновская космология предполагала статичность пространственной устойчивости вещества во Вселенной распределение которой считалось равномерным. Она была представлена теорией иерархической Вселенной Шарлье в основу которой была положена теория механики и модифицированная теория гравитации Ньютона. Основными постулатами классической ньютоновской космологии являются:

• Вселенная - это всесуществующая. Космология познает мир таким как он существует сам по себе безотносительно к условиям познания.

• Пространство и время Вселенной абсолютны они не зависят от материальных объектов и процессов

• Пространство и время метрически бесконечны.

• Пространство и время однородны и изотропны.

• Вселенная стационарна не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы но не мир в целом.

Ньютоновская космологическая картина мира продолжала оставаться господствующей вплоть до начала 20-го столетия.1

Возникновение современной космологии связано с развитием в XX веке релятивистской теория тяготения или Общей теории относительности Альберта Эйнштейна физики элементарных частиц а также внегалактической астрономией.

На первом этапе развития релятивистской космологии главное внимание уделялось геометрии Вселенной (кривизна пространства-времени и возможная замкнутость пространства). В этой модели пространственный объем Вселенной с равномерно распределенными в нем галактиками конечен; но границ у этого пространства нет. Оно не распространенно бесконечно во все стороны а замыкается само на себя.

Начало второго этапа можно было бы датировать работами А.А. Фридмана в которых было показано что искривленное пространство не может быть стационарным что оно должно расширяться или сжиматься. На первый план теперь выступили проблемы механики Вселенной и её «возраста» (длительности расширения).

Третий этап начинается моделями «горячей» Вселенной во второй половине 40-х годов. Основное внимание теперь переносится на физику Вселенной - состояние вещества и физические процессы идущие на разных стадиях расширения Вселенной включая наиболее ранние стадии когда состояние было очень необычным. Наряду с законом тяготения в космологии приобретают большее значение законы термодинамики данные ядерной физики и физики элементарных частиц.2

Стандартная модель Вселенной

Стандартной моделью сегодня принято называть теорию наилучшим образом отражающую наши представления об исходном материале из которого изначально построена Вселенная. Стандартная модель в обобщенном виде представляет собой теорию строения Вселенной в которой материя состоит из кварков и лептонов а сильные электромагнитные и слабые взаимодействия между ними описываются теориями великого объединения.

Стандартная модель состоит из следующих положений:

Всё вещество состоит из 12 фундаментальных частиц-фермионов: 6 лептонов (электрон мюон тау-лептон и три сорта нейтрино) и 6 кварков.

Кварки участвуют в сильных слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряженные лептоны (электрон мюон тау-лептон) — в слабых и электромагнитных; нейтрино — только в слабых взаимодействиях.

Все три типа взаимодействий возникают как следствие постулата что наш мир симметричен относительно трёх типов калибровочных преобразований.

В отличие от электромагнитного и сильного слабое взаимодействие может смешивать фермионы из разных поколений что приводит к нестабильности всех частиц за исключением легчайших.3

Экстраполяция наблюдаемого расширения Вселенной назад во времени приводит при использовании общей теории относительности и некоторых других альтернативных теорий гравитации к бесконечной плотности и температуре в конечный момент времени в прошлом. Более того теория не даёт никакой возможности говорить о чём-либо что предшествовало этому моменту а размеры Вселенной тогда равнялись нулю — она была сжата в точку. Это состояние называется космологической сингулярностью и сигнализирует о недостаточности описания Вселенной классической общей теорией относительности. Насколько близко к сингулярности можно экстраполировать известную физику является предметом научных дебатов но практически общепринято что допланковскую эпоху рассматривать известными методами нельзя.

Модель Большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения созданной А. Эйнштейном в 1916 г. В основе этой модели лежат два предположения: свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность). Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология основанная на этих постулатах - релятивистская.

Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности:

1. Принципом относительности гласящим что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того с какими скоростями равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга;

2. Экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

Из теории относительности следовало что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться или сжиматься. Первым это заметил петербургский физик и математик А.А. Фридман в 1922 г. Эмпирическим подтверждением этого вывода стало открытие американским астрономом Э. Хабблом в 1929 г. так называемого кранного смещения.

«Красное смещение» - это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Согласно обнаруженному ранее эффекту Доплера при удалении от нас какого - либо источника колебаний воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение» т.е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.

Открытие «красного смещения» позволило сделать вывод о разбегании галактик и расширении Вселенной.

Если Вселенная расширяется значит она возникла в определенный момент времени. Все существующее в мире вещество образовалось за доли секунды в бесконечно малом объеме и тут же начало разлетаться во все стороны с непредставимо высокой скоростью. В ходе этого расширения Вселенной ее вещество исходно обладающей высочайшей температурой стало остывать. По мере охлаждения мельчайшие элементарные частицы объединились в протоны и нейтроны которые в свою очередь образовали атомы газов водорода и гелия. На их долю и сейчас приходится основная масса Вселенной.4

Инфляционная концепция

Инфляционная концепция проникает в более ранние этапы времени зарождения Вселенной т.е. со времени вакуумно-подобного состояния в себе. Основная идея этой концепции состоит в том что на самых ранних стадиях возникновения Вселенная имела неустойчивое вакуумно-подобное состояние с большой плотностью энергии. Полагается что эта энергия как и исходная материя возникла из квантового вакуума т.е. как бы из ничего.

Если говорить о физическом вакууме то в этом вакууме отсутствуют фиксируемые частицы поля и волны но с другой стороны это не является безжизненной пустотой. Под физическим вакуумом в современной физике понимают полностью лишённое вещества пространство. Квантовая теория поля утверждает что в согласии с принципом неопределённости в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. В некоторых конкретных теориях поля вакуум может обладать нетривиальными топологическими свойствами но не только а также в теории могут существовать несколько различных вакуумов различающихся плотностью энергии и т. д. Тем не менее в нем имеются виртуальные частицы которые рождаются имеют мимолетное бытие и исчезают. Исходя из этого что вакуум наполнен этими виртуальными частицами взаимодействующими между собой вводят понятие энергетических уровней вакуума. В соответствии с этим энергия имеющаяся в вакууме расположена на разных уровнях и именно благодаря этим уровням и происходят процессы взаимодействия частиц. В инфляционной теории речь идет не просто о физическом вакууме она предполагает наличие возбужденного или ложного вакуума. Полагается что зарождающаяся Вселенная на самых ранних этапах как раз и была возбужденной квантовой системой. Несмотря на то что такое состояние вакуума является неустойчивым и стремится к распаду в нем заложены гигантские возможности для процессов отталкивания. Именно эти процессы ответственны за расширение Вселенной. Согласно инфляционной теории расширение Вселенной в 1050 раз больше чем полагалось в концепции большого взрыва. Согласно этой теории идет гигантское расширение с образованием гигантской энергии и при этом происходит понижение температуры в пространстве. Энергия которая была выделена в результате распада ложного вакуума пошла на мгновенный нагрев Вселенной. Полагается что температура нагрева достигала порядка 1027 К.5

Заключение

В заключении хочется сказать что в современной космологии существует множество разных теорий и предположений которые имеют право на существование. Каждая из них может быть как экспериментально доказана так и опровергнута поэтому придерживаться какого-то одного мнения не разумно и следует изучить все точки зрения. Современность развивается и по сей день и возможно будет выдвинуто еще много концепций и моделей зарождения Вселенной но пока человечество придерживается тех что существуют в настоящее время.


Список использованной литературы:


Ацюковский В. А. Эфиродинамические основы космологии и космогонии. М.: Петит 2006 – 292 с

Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. / Горбачев В.В. 2-е изд. испр. и доп. — М.: ОНИКС 21 век Мир и Образование 2005. —672 с.

Канке В.А. Концепции современного естествознания: учеб. для вузов / В.А. Канке. - Изд. 2-е испр. М.: Лотос 2002. - 368 с.

Павленко А.Н. Современная космология: проблемы обоснования // Астрономия и современная картина мира. М.: ИФ РАН 1996 - с. 505

Рузавин Г.И. / КосмологическиемоделиВселенной / Концепции современного естествознания: Учебник для вузов – М.: ЮНИТИ-ДАНА 2007.- 287 с.

Элементы (электронная энциклопедия). Природа науки. Стандартная модель // elementy/trefil/21207


1 Павленко А.Н. Современная космология: проблемы обоснования // Астрономия и современная картина мира. М.: ИФ РАН 1996 - с. 56-83.

2 Ацюковский В. А. Эфиродинамические основы космологии и космогонии. М.: Петит 2006 – с 101

3 Элементы (электронная энциклопедия). Природа науки. Стандартная модель // elementy/trefil/21207

4 Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. / Горбачев В.В. 2-е изд. испр. и доп. — М.: ОНИКС 21 век Мир и Образование 2005. — с.79

5 Канке В.А. Концепции современного естествознания: учеб. для вузов / В.А. Канке. - Изд. 2-е испр. М.: Лотос 2002. - с.58